路用探地雷達脫空檢測參數研究

劉志聲,王 乾,萬 捷

摘 要:天線的中心頻率、分辨率等因素是影響探地雷達脫空檢測精度和準確度的主要因素,以此為出發點,在解釋探地雷達脫空檢測工作原理的基礎上,對天線的中心頻率、分辨率、采樣率等各參數的計算方法和適用范圍進行了全面分析和系統研究:根據道路材料介電特性及路面結構尺寸確定了天線中心頻率的上限,參考脫空量值資料確定了天線中心頻率的下限和最小垂直分辨率,按照優化處理要求結合經典理論規律提出了采樣率計算公式,并將研究內容實踐于清連一級路,吉林外環路,煙威高速路三項依托工程中,取得了良好的使用效果。

關鍵詞:探地雷達;脫空檢測;中心頻率;分辨率;采樣率

中圖分類號:U141,TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-163-04

Parameter Research of Ground Penetrating Radar on Detecting Cavity

LIU Zhisheng1,WANG Qian2,WAN Jie2

(1.Xidian University,Xi′an,710071,China;2.Highway College,Chang′an University,Xi′an,710064,China)

Abstract:Both the central frequency of antenna and the resolution are chief factors influencing the accuracy of ground penetrating radar on detecting cavity.Considering it as the starting point,the methods of calculation and application for the parameters of central frequency of antenna,resolution and simpling frequency are analysed,and systematic research based on explaining the working principle of ground penetrating radar on detecting cavity.The upper limit of central frequency of antenna is recommended according to the dielectric property of road materials and the size of pavement structure.The low limit of central frequency of antenna and the minimal value of vertical resolution are determined by considering the data of cavity.The calculation formula of sampling frequency is presented according to the request of optimizing process with classical theory law.The contents are practised on attaching projects of Qingyuan-lianzhou highway,Jilin outer ring highway,Yantai-Weihai highway,achieving a good result.

Keywords:ground penetrating radar;detecting cavity;central frequency;resolution;sampling frequency

0 引 言

探地雷達是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁技術。探地雷達脫空檢測是一種高新技術檢測,它實質上是一種高頻電磁波發射與接收技術。在此通過直接向路基路面中發射射頻電磁波,接收反射波而獲得路基路面的采樣信號,再經過硬件與軟件處理,最后分析研究數據圖像得到檢測結果。探地雷達脫空檢測具有探測效率高、無損性、高精度、抗干擾能力強、使用靈活方便等優點[1],在舊水泥混凝土路板底脫空檢測中正得到越來越廣泛的應用,發揮越來越重要的作用。

天線的中心頻率、分辨率、采樣率等因素是影響探地雷達脫空檢測精度和準確度的主要因素,在此通過對這些因素進行全面分析和系統研究,推薦了各參數的計算方法和適用范圍,并結合依托工程評價了使用效果,為今后探地雷達在道路工程中的應用提供了理論依據和技術支持。

1 工作原理

探地雷達脫空檢測是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式[2],其工作過程是由置于地面的發射天線向地下發送一高頻電磁脈沖波(主頻為數十兆赫至數百兆赫乃至千兆赫),地層系統的結構層可以根據其電磁特性如介電常數來區分,當相鄰的結構層材料的電磁特性不同時,就會在其界面間影響射頻信號的傳播,發生透射和反射。一部分電磁波能量被界面反射回來,另一部分能量會繼續穿透界面進入下一層介質,電磁波在地層系統內傳播的過程中,每遇到不同的結構層,就會在層間界面發生透射和反射,各界面反射的電磁波由天線接收器接收并由主機記錄,利用采樣技術將其轉化為數字信號進行處理。從測試結果剖面圖得到從發射經地下界面反射回到接收天線的雙程走時T。當地下界質的波速已知時,可根據測得的精確T值求得目標體的位置和埋深。這樣,可對各測點進行快速連續地探測,并根據反射波組的波形與強度特征,通過數據處理得到地質雷達剖面圖像。而通過多條測線的探測,則可了解場地目標體平面分布情況,如圖1所示[3]。通過對電磁波反射信號(即回波信號)的時頻特征、振幅特征、相位特征等進行分析,便能了解地層的特征信息(如層厚、缺陷、空洞等)。

圖1 探地雷達檢測原理圖

2 參數研究

2.1 天線的中心頻率的選擇

探地雷達能探測到最深的目標體深度稱為探地雷達的最大探測深度。其是關系到探地雷達技術能否運用的一個關鍵因素,當目標體埋深超出系統探測深度的50%,探地雷達方法將失效。

探地雷達的最大探測深度主要與環境因素和目標特性有關。電磁波在道路介質中傳播時的波長λm為:

λm=cfcεrμr(1)

式中:fc為脈沖信號的中心頻率;c為光速,εr為介電常數;μr為磁導率。

雷達脫空探測中常用道路材料介電常數的如表1所示[4]。

表1 常用道路材料介電常數

介質介電常數實部介電常數虛部介質介電常數實部介電常數虛部

舊混凝土9-0.47飽和柔性基層>16-1.2

新混凝土10~20-2.2砂礫路基8~15-0.5

瀝青3.7~10-(0.05-0.50)濕砂20~30-(0.1-1)

剝落瀝青

混凝土小于4-0.035石灰巖4~8-(0.5-2)

濕瀝青混凝土大于8-0.20粘土5~40-2

干柔性基層小于8-0.20花崗巖7-0.001

濕柔性基層大于12-0.80玄武巖8-0.01

從探地雷達系統本身來說,使用的天線頻率越高,探測深度越小;反之,天線頻率越低,探測深度越深。但對于同一天線頻率來說,最大探測深度將取決于地下介質的電屬性,需探測目標體的尺寸大小以及目標體與周圍介質的電性差異程度等因素。商用探地雷達一般允許介質的吸收損耗達60 dB。通常的道路地質環境中,則可用Annan給出的探測深度dmas簡易估算式進行估算[5]:

dmas<30/α或dmas<35/σ(2)

式中:α為衰減系數(dB/m);σ為電導率(ms?m-1)。

路用探地雷達的探測深度與中心頻率之間的關系見表2。

表2 不同天線頻率探測深度值

天線頻率

/GHz探測深度

/m天線頻率

/MHz探測深度

/m天線頻率

/MHz探測深度

/m

2.50.3~0.69000.75~1.53003~6

1.00.6~1.05001.5~3.010010~20

對于舊混凝土路面板脫空等厚度在0~0.5 m左右的檢測,根據道路材料介電特性和不同路面結構類型統計分析,當天線中心頻率大于2 GHz后,探地雷達基本不能穿透舊混凝土路面板,即無法探測板底脫空情況。因此,探地雷達脫空檢測天線中心頻率上限值為2 GHz。

2.2 分辨率的選擇

探地雷達分辨率是指雷達區分兩個在空間上相距很近的目標的能力(也可定義為雷達區分在時間上相距很近的脈沖信號的能力)。其決定了探地雷達分辨最小異常介質的能力和應用的范圍,分為垂直分辨率和水平分辨率,在路面脫空檢測中起主導作用的是垂直分辨率。

假定在同一垂直方向上有兩個目標存在,目標在深度上相距為Δd,探地雷達要在空間上能分辨出這兩個目標回波信號,必須滿足[6]:

Δd≥v/4fc=λm/4(3)

即Δd要大于介質中脈沖信號中心頻率所對應得電磁波波長的1/4。因此探地雷達的最小分辨率為:

(Δd)min=λm/4=c/4fcεrμr(4)

已有研究資料表明,舊混凝土路面板脫空量值基本在0.5～3 cm范圍內,故只有最小垂直分辨率(Δd)min≤3 cm探地雷達才能分辨脫空情況。而由式(4)可知,當(Δd)min為3 cm時,探地雷達天線的中心頻率fc大約為900 MHz。因此,探地雷達脫空檢測天線中心頻率下限值為900 MHz。在實際檢測中,從分辨率角度考慮,所選雷達天線的頻率越高越好,但是中心頻率越高其探測深度越小,所以應合理地選擇天線中心頻率,以兼顧探測深度和分辨率。

2.3 采樣率的選擇

采樣率是用記錄目標反射波時,探地雷達采樣頭采樣間隔的倒數來衡量的,采樣率越高,采樣間隔越短。而采樣率由奈奎斯特采樣定律控制,即采樣率至少應達到記錄的反射波中最高頻率的2倍。對大多數探地雷達系統,頻帶與中心頻率比大致為1,則發射脈沖能量覆蓋的頻率范圍為0.5~1.5倍中心頻率,即反射波的最高頻率大約為中心頻率的1.5倍,因此按奈奎斯特定律,采樣率至少要達到天線中心頻率的3倍。

采樣率還應滿足檢測數據反濾波技術處理的要求[7]。理想地質雷達發射脈沖應該是一個尖脈沖,然而,由于天線頻譜響應的限制,這種反射脈沖,實際是一個具有一定時間延續的波形b(t)。雷達記錄可看成是雷達子波與反射系數ξ(t)的卷積。

x(t)=b(t)*ξ(t)(5)

在雷達記錄中,相距在0.5 m以內的兩個反射界面其到達時間差僅為幾ns,難以在雷達反射剖面圖像中區別開來。反濾波的目的是要把雷達記錄x(t)變成反射系數序列ξ(t),即令:

ξ(t)=a(t)*x(t)(6)

式(5)代入式(6)得:

ξ(t)=a(t)*b(t)*ξ(t)(7)

即:

a(t)*b(t)=1(8)

a(t)稱為反子波。由此可知,已知雷達子波b(t),求出反子波a(t),利用式(6),把反子波a(t)與雷達記錄x(t)卷積,即可求出反射序列ξ(t):

ξ(t)=a∑a(τ)x(t-τ)(9)

由以上反濾波卷積分析,再結合奈奎斯特定律[8],最終提出探地雷達脫空檢測采樣率計算公式為:

Δt=1 000/(6fc)(10)

3 依托工程中應用

(1) 清遠-連州一級公路試驗段。雷達選用美國GSSI公司SIR-10H地質雷達,采用空氣耦合型天線,天線中心頻率為1 GHz,對K2150+000～K2151+000段行車道進行脫空檢測,檢測參數見表3。為驗證雷達檢測準確度,同時采用落錘式彎沉儀(FWD)對比檢測,以便更好的判斷比較,檢測結果見表4。

表3 依托工程雷達檢測參數

工程天線中心頻率/MHz分辨率 /m采樣時窗 /ns采樣率 /ns相鄰掃描點間距 /m

清連一級路9000.03200.1850.2

吉林外環路1 0000.02200.1670.2

煙威高速路1 5000.01200.1110.2

表4 探地雷達和FWD脫空檢測結果

FWD檢測脫空雷達檢測脫空(起止里程)

K2150+075K2150+546K2150+152～K2150+178K2150+537～K2150+550K2150+762～K2150+797

K2150+226K2150+703K2150+217～K2150+229K2150+580～K2150+593K2150+800～K2150+810

K2150+350K2150+753K2150+345～K2150+370K2150+622～K2150+640K2150+835～K2150+880

K2150+450K2150+803K2150+410～K2150+475K2150+673～K2150+720K2150+888～K2150+913

對比分析兩種檢測結果后發現,FWD共檢測出九處脫空,雷達檢測出其中八處,僅有一處未檢測出來。而雷達共檢測出13處脫空,有四處FWD未檢測出來。經對這四處路面進行實際鉆芯核查,發現確實存在脫空現象,證明雷達檢測具有較高的可信度。

(2) 吉林外環高速公路試驗段。探地雷達檢測使用美國GSSI公司產SIR-10H型路用探地雷達系統,選用空氣耦合型天線,天線中心頻率為900 MHz,對K103+000～K105+000試驗段路面逐板進行檢測。檢測路面沿行車道、超車道各布設一條檢測剖面,檢測路線見圖2。首先對雷達檢測原始數據進行濾波、增益和反卷積處理,然后確定有關參數(見表3)和計算方法,最后運用相應RADAN軟件生成檢測結果。分析檢測結果圖像可知,脫空多發生在板邊和板角處,多數脫空為不明顯脫空,即板邊、板角小范圍輕微脫空,同時可發現多數板塊存在脫空連續現象。通過對雷達檢測出的脫空板進行壓漿和灌縫處治時材料使用量的統計,再結合路面板破損狀況調查和少量鉆芯取樣,綜合評定雷達檢測結果后發現,雷達檢測確定脫空狀況基本與實際脫空情況相符合,整體檢測效果較好。

圖2 雷達檢測脫空測線布設示意圖

(3) 煙臺-威海高速公路試驗段。雷達采用美國GSSI公司產SIR-20型地質雷達,天線中心頻率為900 MHz和1 500 MHz,對K176+650～K178+550試驗段路面逐板進行檢測,行車道、超車道板中位置各布置一條測線,兩車道板之間位置布置1條測線,共計3條,檢測參數見表3。通過對掃描圖和灰度圖(見圖3,圖4)兩種雷達圖像的判讀、識別與解釋,將檢測重點放在面板下疏松與脫空。為驗證雷達檢測脫空的可信度,隨機選取10處路面板進行鉆芯復核,調查脫空情況,調查結果如表5所示。

圖3 900 MHz雷達探測灰度圖

表5 雷達檢測和鉆芯復核脫空結果

鉆芯板號雷達檢測鉆芯復核鉆芯板號雷達檢測鉆芯復核

行車道板a無脫空無脫空超車道板a無脫空中度脫空

行車道板b輕度脫空輕度脫空超車道板b重度脫空重度脫空

行車道板c重度脫空重度脫空超車道板c輕度脫空輕度脫空

行車道板d無脫空無脫空超車道板d輕度脫空輕度脫空

行車道板e重度脫空重度脫空超車道板e中度脫空中度脫空

由表5可知,雷達檢測與鉆芯復核相符率達到90%,僅有一塊板判別情況稍有差異,充分說明雷達檢測具有較高的準確性。

4 結 語

以上依托工程實踐表明,探地雷達檢測參數選用的是否合理,關系到能否對舊水泥混凝土路板底脫空情況作出準確的判斷,因此參數的選擇至關重要,但參數的選擇仍是一個很復雜的問題,往往要根據各種具體情況進行反復調整才可達到最佳效果,這里各參數的計算方法和適用范圍還需要在工程實踐中進一步檢驗和修正。

圖4 1 500 MHz雷達探測掃描圖

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